JP2003273409A - 赤色不足補償蛍光発光素子 - Google Patents

赤色不足補償蛍光発光素子

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JP2003273409A JP2003047019A JP2003047019A JP2003273409A JP 2003273409 A JP2003273409 A JP 2003273409A JP 2003047019 A JP2003047019 A JP 2003047019A JP 2003047019 A JP2003047019 A JP 2003047019A JP 2003273409 A JP2003273409 A JP 2003273409A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 正しい演色のためにバランスのよい色特性を
有する白色出力光を放射できる蛍光ＬＥＤを提供するこ
とを目的とする。 【解決手段】 発光素子は電気的信号に応答して１次光
を放射する光源、及び該光源の上方に置かれる蛍光層を
具備する。蛍光層は２次光を放射する第１蛍光材料及び
３次光を放射する第２蛍光材料を含む。一の実施態様に
おいて、第２蛍光材料はユウロピウム活性化硫化カルシ
ウムを含む。他の実施態様において、第２蛍光材料はユ
ウロピウム活性化ニトリド-シリケートを含む。特定の
実施態様において、該素子は複合光として１次光、２次
光、及び３次光を伝播する光伝播媒体を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】関連特許 この出願は、現在米国特許第６，３５１，０６９号であ
る１９９９年２月１８日に出願された米国特許出願番号
０９／２５２，２０７の一部継続出願である。米国特許
第６，３５１，０６９号は、全体として本願に引用して
援用する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には発光素
子に関し、より詳細には、蛍光体発光ダイオードに関す
る。
【０００３】
【従来の技術】発光ダイオードを含む発光素子（ＬＥ
Ｄ）は、光スペクトルの特定の領域にピーク波長を有す
る光を発生させることができるよく知られた固体デバイ
スである。ＬＥＤは、典型的には照明器、表示器及びデ
ィスプレイとして使用される。従来から、最も効率的な
ＬＥＤは、光スペクトルの赤色領域にピーク波長を有す
る光、すなわち赤色光を放射する。しかしながら、スペ
クトルの青色領域にピーク波長を有する光、すなわち青
色光を効率的に放射することができる窒化ガリウム（Ｇ
ａＮ）をベースとするタイプのＬＥＤが最近開発され
た。この新しいタイプのＬＥＤは、従来のＬＥＤよりも
遥かに明るい出力光を提供できる。
【０００４】さらに、青色光は赤色光よりも短い波長を
有するため、ＧａＮ−ベースのＬＥＤが発する青色光を
変換して、より長波長の光を発生させることは容易にで
きる。第１ピーク波長の光（“１次光”）を、蛍光とし
て知られるプロセスを用いて、より長いピーク波長の光
（“２次光”）に変換できることは、技術的によく知ら
れている。蛍光プロセスは光ルミネッセンス蛍光材料に
よって１次光を吸収して蛍光材料の原子を励起し、２次
光を放射することを含む。２次光のピーク波長は蛍光材
料に依存する。特定のピーク波長の２次光を発生させる
ために、蛍光材料のタイプを選択できる。本明細書にお
いては、蛍光プロセスを利用するＬＥＤを“蛍光ＬＥ
Ｄ”と定義する。
【０００５】図１に、従来の蛍光ＬＥＤ１０を示す。Ｌ
ＥＤ１０は、活性化したときに青色の１次光を放射する
ＧａＮダイ１２を含む。ＧａＮダイ（die）１２はリフ
レクタカップリードフレーム（reflector cup lead fra
me）１４に配置され、リード線１６及び１８と電気的に
接続される。リード線１６及び１８はＧａＮダイ１２に
電力を送る。ＧａＮダイ１２は蛍光材料２２を含む層２
０で覆われる。層２０を形成するために利用される蛍光
材料のタイプは、蛍光材料２２によって放射される２次
光の所望のスペクトル分布に応じて変えることができ
る。
【０００６】ＧａＮダイ１２及び蛍光層２０はレンズ２
４によって封入される。レンズ２４は、通常透明のエポ
キシ樹脂から形成される。
【０００７】作動中、電力はＧａＮダイ１２に供給され
てＧａＮダイを活性化する。活性化されると、ＧａＮダ
イ１２はＧａＮダイ１２の上面から１次光、すなわち青
色光を放射する。放射される１次光の一部は層２０に含
まれる蛍光材料２２によって吸収される。次いで、蛍光
材料２２は、１次光の吸収に対応して、２次光、すなわ
ちより長いピーク波長の変換された光を放射する。放射
される１次光の残りの吸収されない部分は、２次光と共
に蛍光層３８を通って伝播する。レンズ２４は、出力光
として矢印２６で示される一般的な方向に、吸収されな
い１次光及び２次光を誘導する。こうして、出力光は、
ＧａＮダイ１２から放射される１次光及び蛍光層２０か
ら放射される２次光で構成される複合光である。
【０００８】出力光は、“白色”光であるように見える
スペクトル分布を有してもよい。出力光の色混合は、２
次光及び１次光のスペクトル分布及び強度に応じて変化
する。
【０００９】ShimizuらのＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＪＰ
９７／０２６１０には、およそ５，０００〜６，０００
ケルビンの色温度を有する白色出力光を放射する種々の
蛍光ＬＥＤが記載されている。ShimizuらのＬＥＤは、
図１のＬＥＤ１０と概略的に同じである。一の実施態様
において、ShimizuらのＬＥＤはイットリウム・アルミ
ニウム・ガーネット（ＹＡＧ）蛍光体を利用して、１次
光の一部を約５８０ｎｍのピーク波長を有する２次光に
変換する。ShimizuらのＬＥＤからの出力光のスペクト
ル分布２８を図２に示す。スペクトル分布２８は２つの
ピーク３０及び３２を有する。ピーク３０は、主にShim
izuらのＬＥＤのＧａＮダイから放射される１次光によ
って生じるものである。ピーク３２は、主にＹＡＧ蛍光
体から放射される２次光によって生じるものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】ShimizuらのＬＥＤに
対する懸念は、“白色”出力光が正しい演色のために望
ましくない色バランスを有していることである。Shimiz
uらのＬＥＤの出力光は、簡単な照明が必要とされる用
途に適している。しかしながら、高い演色が要求される
用途で、その出力光は可視光スペクトルの赤色領域（６
４７〜７００ｎｍ領域）において不十分である。そのよ
うな用途で使用される場合、出力光の赤色不足は、バラ
ンスのよい色特性を有する白色光の下でよりも、照らさ
れた赤色物体の色の強度を小さくする。特に、カラー液
晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のバックライトとして使用さ
れる場合、ShimizuらのＬＥＤの出力光はＬＣＤの赤色
を弱い表示にする。ShimizuらのＬＥＤによって放射さ
れる出力光の赤色不足を補うために、別の赤色光源がSh
imizuらのＬＥＤと共に使用されなければならない場合
があり、ShimizuらのＬＥＤを具体化するシステムを複
雑なものにする。
【００１１】必要とされるものは、正しい演色のために
バランスのよい色特性を有する白色出力光を放射できる
蛍光ＬＥＤである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の実施態様に基づ
き、発光素子は、電気的信号に対応して１次光を放射す
る光源と、該光源の上方に置かれる蛍光層とを具備す
る。該蛍光層は、２次光を放射する第１蛍光材料と、３
次光を放射する第２蛍光材料とを含む。一の実施態様に
おいて、第２蛍光材料はユウロピウム活性化硫化カルシ
ウムを含む。他の実施態様において、第２蛍光材料はユ
ウロピウム活性化ニトリド-シリケートを含む。ある特
定の実施態様において、該素子は、複合出力として一
次、２次、及び３次光を伝播させる光伝播媒体を具備す
る。
【００１３】
【発明の実施の形態】発光素子及び該素子の作製方法
は、可視光スペクトルの赤色スペクトル領域の光を放射
して複合出力光の赤色成分を増大する補助蛍光材料を利
用する。補助蛍光材料からの２次光は、該素子が正しい
演色用途のためにバランスのよい“白色”出力光を生成
できるようにする。例として、該素子はカラーＬＣＤ用
バックライト又はカラースキャナー用光源として使用で
きる。
【００１４】本発明の発光素子は、電気的信号に対応し
て１次光を放射するダイを具備するＬＥＤである。好ま
しくは、ダイは４７０ｎｍのピーク波長を有する青色光
を放射する窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースダイである。
ダイは任意に選択される透明層によって封入される。任
意に選択される透明層は、次の層のために一般に均一な
表面を提供する。好ましくは、任意に選択される透明層
は透明な樹脂から生成される。次の層は補助蛍光材料を
含む蛍光層である。また、蛍光層は、可視光スペクトル
の黄色領域の第１ピーク波長を有する広帯域２次光を放
射する主蛍光材料も含む。蛍光層と結合するものは、ダ
イ及び蛍光層からの光を一般にダイの上面の法線方向に
方向づけるために機能するレンズである。
【００１５】作動中、ＧａＮダイはリード線を経てダイ
に供給される電力によって活性化される。活性化された
場合、ＧａＮダイはダイの上面からの１次光、すなわち
青色光を放射する。放射された１次光は任意に選択され
る透明層を通って蛍光層に伝播する。１次光の一部は蛍
光層に含まれる主蛍光材料に当たる。主蛍光材料は当た
っている１次光を吸収し、第１ピーク波長を有する２次
光を放射する。１次光の他の一部は蛍光層に含まれる補
助蛍光材料に当たる。補助蛍光材料は当たっている１次
光を吸収し、可視光スペクトルの赤色スペクトル領域に
第２ピーク波長を有する２次光を放射する。しかしなが
ら、１次光のいくらかは主蛍光材料又は補助蛍光材料の
いずれによっても吸収されない。蛍光層によって吸収さ
れない１次光の量はいくつかの変数の関数である。これ
らの変数としては、蛍光層の厚さ及び該層の蛍光材料の
密度が挙げられる。
【００１６】吸収されない１次光及び２つの２次光はＬ
ＥＤのレンズを通って伝播する。レンズは、一般に伝播
する光をダイの上面の法線方向に方向づける。伝播する
光は白色出力光としてレンズから放射される。白色出力
光の色混合は放射する光の放射の強度及びスペクトル分
布に依存する。
【００１７】第１の実施態様において、主蛍光材料はセ
リウム（Ｃｅ）活性化ガドリニウム（Ｇｄ）ドープ・イ
ットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）蛍光
体（“Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体”）であり、補助蛍光材料は
化学変質Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体である。化学変質Ｃｅ：Ｙ
ＡＧ蛍光体は、Ｃｅ：ＹＡＧにプラセオジム（Ｐｒ）の
３価イオンをドープすることによって生成される化合物
である。
【００１８】第２の実施態様において、また、主蛍光材
料はＣｅ：ＹＡＧ蛍光体である。しかしながら、補助蛍
光材料はユウロピウム（Ｅｕ）活性化硫化ストロンチウ
ム（ＳｒＳ）蛍光体（“Ｅｕ：ＳｒＳ”）である。好ま
しくは、Ｅｕ：ＳｒＳ蛍光体の量は、蛍光層に含まれる
総蛍光体重量のだいたい１０９０以下である。蛍光層に
含まれるＥｕ：ＳｒＳ蛍光体の量は、白色出力光で要求
される赤色の量に依存して変えることができる。Ｅｕ：
ＳｒＳ蛍光体の正確な量は、本発明においては重要では
ない。
【００１９】本発明の素子の作製方法は、第１ピーク波
長を有する１次光を放射する光源を準備する工程を含
む。好ましくは、光源は約４７０ｎｍのピーク波長を有
する１次光を放射するＧａＮダイである。次に、透明の
樹脂の第１層を光源の上方に置き、封入層を形成する。
他の工程において、蛍光体-樹脂混合物が調製される。
蛍光体-樹脂混合物は樹脂ペーストと組み合わせられる
２つの蛍光材料を含む。第１蛍光材料は、１次光に対応
して可視光スペクトルの黄色領域にピーク波長を有する
２次光を放射する特性を有する。好ましくは、第１蛍光
材料によって放射される２次光は広帯域スペクトル分布
を有する。第２蛍光材料は可視光スペクトルの赤色領域
にピーク波長を有する２次光を放射する特性を有する。
【００２０】第１の方法において、蛍光体-樹脂混合物
はＣｅ：ＹＡＧ蛍光体の第１蛍光材料をＥｕ：ＳｒＳの
第２蛍光材料と混合することによって調製される。この
実施態様において、蛍光体-樹脂混合物はおよそ７４重
量％の樹脂、１８重量％のＣｅ：ＹＡＧ蛍光体及び８重
量％のＥｕ：ＳｒＳ蛍光体を含んでいてもよい。蛍光体
-樹脂混合物に含まれる特定の蛍光体の量は、ＬＥＤに
よって放射される白色出力光の所望の色混合に依存して
変えることができる。
【００２１】第２の方法において、蛍光体-樹脂混合物
はＣｅ：ＹＡＧ蛍光体に元素Ｐｒの３価イオンを最初に
ドープすることによって調製され、蛍光体Ｐｒ，Ｃｅ：
ＹＡＧを生じる。ドーピングプロセスに影響されないＣ
ｅ：ＹＡＧ蛍光体の一部は、蛍光体-樹脂混合物中の第
１蛍光材料を構成する。ドーピングプロセスに影響され
るＣｅ：ＹＡＧ蛍光体の一部は、第２蛍光材料を構成す
る。前の実施態様と同様に、蛍光体-樹脂混合物中の特
定の蛍光体の量は、白色出力光の所望の色混合に依存し
て変えることができる。
【００２２】次に、蛍光体-樹脂混合物は封入層上に堆
積されて、封入層を一様に覆う蛍光層を形成する。次い
で、堆積される蛍光体-樹脂混合物はゲル化、すなわち
部分的に硬化してもよい。透明の樹脂の第２層は蛍光層
上に堆積されて、ＬＥＤのレンズを形成する。次に、樹
脂の第２層及び蛍光層は一回の工程で、一括して、完全
に硬化される。これらの層の一括硬化は、蛍光層のレン
ズとの密接な結合を保証する。
【００２３】
【発明の効果】本発明の利点は、発光素子が色に関して
バランスのよい複合白色出力光を提供できることであ
る。特に、複合白色出力光は、従来の蛍光ＬＥＤよりも
多くの赤色を有する。この特性は、補助赤色光源を組み
入れて赤色不足を補うことを要求しないで、本発明の素
子を正しい演色が要求される用途に理想的であるものに
する。
【００２４】
【実施例】図３に、本発明の赤色不足補償蛍光発光ダイ
オード（ＬＥＤ）３４を示す。適用できる場合、図１の
同じ参照番号が図３に示される対応する構成要素で使用
される。ＬＥＤ３４は、色に関してバランスがよく、正
しい演色のための照明を提供する“白色”出力光を生成
するように設計される。ＬＥＤ３４は、リフレクタカッ
プリードフレーム１４に配置され、リード線１６及び１
８と電気的に結合される窒化ガリウム（ＧａＮ）１２を
ベースとするIII族-窒化物ダイを含む。リード線１６及
び１８はＧａＮダイ１２に励起エネルギーを供給する。
ＧａＮダイ１２は、一般に正方形の形であってもよい。
一の実施態様において、ＧａＮダイ１２は、光スペクト
ルの青色領域内に位置する４７０ｎｍのピーク波長を有
する１次光、すなわち青色光を放射するように形成され
る。ＧａＮダイ１２は透明材料で構成されるスペーシン
グ層３６によって覆われる。透明材料は透明なエポキシ
又はガラスであってもよい。
【００２５】スペーシング層３６に隣接するのは蛍光層
３８である。蛍光層３８は蛍光材料２２及び第２蛍光材
料４０を含む。蛍光材料２２は１次光を吸収し、第１ピ
ーク波長を有する２次光を放射する性質を有し、蛍光材
料４０は１次光を吸収し、第２ピーク波長を有する２次
光を放射する性質を有する。好ましくは、蛍光材料２２
によって放射される２次光は可視スペクトルの黄色領域
を中心とする広帯域スペクトル分布を有する。しかし、
蛍光材料４０によって放射される２次光は可視スペクト
ルの赤色領域で強く狭いスペクトル分布を有する。この
ように、１次光及び蛍光材料２２及び４０によって放射
される２次光が結合される場合、他の色に加えて赤色の
豊富な白色光が生成される。２次光のピーク波長は、１
次光のピーク波長に加えて、蛍光材料２２及び４０の組
成に依存する。
【００２６】蛍光層３８は、矢印２６で示される一般的
方向に１次光及び２次光の吸収されない量を方向づける
ために機能するレンズ２４によって封入される。レンズ
２４は、好ましくは透明なエポキシのような透明材料で
構成される。しかし、ガラスのようなその他の透明材料
を利用してもよい。レンズ２４を形成するために使用さ
れる透明材料は本発明において重要ではない。層３８に
含まれる蛍光材料２２及び４０からの２次光及び１次光
の吸収されない部分は、白色出力光としてレンズ２４か
ら放射される。
【００２７】作動中、ＧａＮダイ１２はリード線１６及
び１８を経てＧａＮダイ１２に供給される電力によって
活性化される。活性化されると、ＧａＮダイ１２はＧａ
Ｎダイ１２の上面から１次光を放射する。放射された１
次光はスペーシング層３６を通って蛍光層３８に伝播す
る。１次光の一部は層３８に含まれる蛍光材料２２に当
たる。蛍光材料２２は当たっている１次光を吸収し、第
１ピーク波長を有する２次光を放射する。１次光の別の
一部は層３８に含まれる蛍光材料４０に当たる。蛍光材
料４０は当たっている１次光を吸収し、第２ピーク波長
を有する２次光を放射する。しかし、１次光の一部は蛍
光材料２２又は蛍光材料４０のいずれによっても吸収さ
れない。１次光の吸収されない部分は蛍光層３８を通っ
て伝播する。層３８に含まれる蛍光材料２２及び４０か
らの２次光及びＧａＮダイ１２からの吸収されない１次
光はレンズ２４によって集束され、白色出力光としてＬ
ＥＤ３４から放射され、矢印２６の一般的な方向に伝播
する。ＧａＮダイ１２からの吸収されない１次光と、層
３８に含まれる蛍光材料２２及び４０からの２次光との
組み合わせは、色に関してバランスのよい白色出力光を
生じる。
【００２８】第１の実施態様において、蛍光材料２２は
セリウム（Ｃｅ）活性化ガドリニウム（Ｇｄ）ドープ・
イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）蛍
光体（“Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体”）であり、蛍光材料４０
は変質Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体である。変質Ｃｅ：ＹＡＧ蛍
光体はＣｅ：ＹＡＧ蛍光体にプラセオジム（Ｐｒ）の３
価イオンをドープすることによって生成される不定比化
合物である。Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体におけるＰｒの存在は
Ｃｅ３＋の機能をＰｒ３＋によって“引き継ぐ”効果を
有する。それ故、可視スペクトルの黄色領域に一般に集
中するＣｅ：ＹＡＧからの典型的な広帯域２次放射の代
わりに、Ｐｒは可視スペクトルの赤色領域に集中する２
次放射を生成することになる。蛍光層３８に含まれるＰ
ｒドープＣｅ：ＹＡＧ蛍光体の量は、改質されたＣｅ：
ＹＡＧにおけるＰｒの量と同様に、特定用途のための白
色出力光において要求される赤色の量に応じて変えるこ
とができる。
【００２９】第１の実施態様のＬＥＤ３４によって生成
される白色出力光のスペクトル分布４２を図４に示す。
スペクトル分布４２はピーク４４、４６及び４８を含
む。ピーク４４は主にＬＥＤ光からの吸収されない一次
放出成分によって生じる。ピーク４６は主に蛍光材料２
２からの２次放出によって生じ、ピーク４８は主に蛍光
材料４０からの２次放出によって生じる。Shimizuらの
従来技術のＬＥＤによって生成される白色出力光のスペ
クトル分布２８（図２）と比較すると、スペクトル分布
４２の明らかな相違は可視スペクトルの赤色領域にある
付加的なピーク４８である。このように、ＬＥＤ３４に
よって生成される白色出力光は、Shimizuらの従来技術
のＬＥＤによって生成される出力光と比較して、付加的
なかなりの量の赤色を有する。第１の実施態様のＬＥＤ
３４は３，８００ケルビンの色温度及び８５の演色評価
数を有する白色出力光を生成するために構成してもよ
い。
【００３０】第２の実施態様において、また、蛍光材料
２２はＣｅ：ＹＡＧ蛍光体である。しかし、蛍光材料４
０はユウロピウム（Ｅｕ）活性化硫化ストロンチウム
（ＳｒＳ）蛍光体（‘Ｅｕ：ＳｒＳ’）である。好まし
くは、Ｅｕ：ＳｒＳ蛍光体の量は層３８に含まれる合計
蛍光体重量の１０％以下である。層３８に含まれるＥ
ｕ：ＳｒＳ蛍光体の量は白色出力光において要求される
赤色の量に依存して変えることができる。層３８に含ま
れるＥｕ：ＳｒＳ蛍光体の正確な量は本発明において重
要ではない。
【００３１】第２の実施態様は蛍光材料４０の組成が２
つの実施態様で異なる点でのみ第１の実施態様と異な
る。しかし、両方の実施態様について蛍光材料４０は白
色出力光の赤色成分を高めるように機能して、赤色不足
を補う。２つの実施態様の機能は実質的に同じであるた
め、第２の実施態様についての出力光のスペクトル分布
は第１の実施態様によって生成される出力光のスペクト
ル分布４２と非常によく似ている。このように、第２の
実施態様のＬＥＤ３４によって生成される白色出力光の
スペクトル分布も可視光スペクトルの赤色領域にピーク
波長を有するであろう。
【００３２】ダイ１２からの変換されない光又は蛍光材
料２２から放射される光のいずれかによって励起されや
すい赤色放射蛍光体は、蛍光材料４０としての使用に適
している。第３の実施態様において、蛍光材料２２はＣ
ｅ：ＹＡＧ蛍光体又はその他の適した黄色放射蛍光体で
あり、蛍光材料４０はユウロピウム（Ｅｕ）活性化硫化
カルシウム（ＣａＳ）蛍光体（‘Ｅｕ：ＣａＳ’）であ
る。第３の実施態様におけるＥｕ：ＣａＳ蛍光体の量は
層３８に含まれる合計蛍光体重量の２５％以下であって
もよい。層３８のＥｕ：ＣａＳ蛍光体の量は白色出力光
において要求される赤色の量に依存して変えることがで
きる。
【００３３】第４の実施態様において、蛍光材料２２は
Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体又はその他の適した黄色放射蛍光体
であり、蛍光材料４０はユウロピウムによって活性化さ
れる硫化カルシウム（ＣａＳ）及び硫化ストロンチウム
（ＳｒＳ）（（ＣａxＳｒ1-X）Ｓ：Ｅｕ2+））の３元結
晶材料（ternary crystalline material）である。第４
の実施態様の材料４０のピーク放射波長はＣａ含量が増
加すると長波長側に、Ｘ＝０の約６１９ｎｍからＸ＝１
の約６５６ｎｍの範囲でシフトする。第２及び第３の実
施態様等の場合、（ＣａxＳｒ1-X）Ｓ：Ｅｕ2+蛍光体の
量は白色出力光において要求される赤色の量に依存して
変えることができ、層３８に含まれる蛍光体の合計重量
の２５％未満であってもよい。
【００３４】第５の実施態様において、蛍光材料２２は
Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体又はその他の適した黄色放射蛍光体
であり、蛍光材料４０はユウロピウムがドープされたニ
トリド-シリケート（ＮＳＥｕ）である。ニトリド-シリ
ケート蛍光材料４０は化学式（Ｓｒ1-x-y-zＢａxＣ
ａy）2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕz 2+（式中、０≦ｘ，ｙ≦０．５
及び０≦ｚ≦０．１）を有してもよい。ニトリド-シリ
ケート化合物は、化学的、熱的、及び機械的に優れた安
定性を示す。ニトリド-シリケート蛍光体は蛍光体全体
の約２２重量％〜約２８重量％を含んでもよい。
【００３５】第６の実施態様において、蛍光材料４０は
上述の化合物のいずれかの混合物である。
【００３６】光源によって生成される光の質は光源演色
が真にどの程度であるかを示す演色評価数によって特徴
付けられる。演色評価数は目視実験によって定められ
る。最初に、評価される光源の色温度が決定される。続
いて、８つの標準色サンプルが最初に光源に照らされ、
次いで同じ色温度を有する黒体からの光に照らされる。
標準色サンプルが色を変えない場合、光源は理論的に完
全な１００の演色評価数値を有する。演色評価数は一般
に“Ｒａ”で示され、８つの標準色サンプルの演色評価
数値の平均である。
【００３７】同じ色温度について、蛍光材料４０として
のＥｕ：ＣａＳの使用は、蛍光材料４０としてＥｕ：Ｓ
ｒＳを用いる素子から生成される光よりもよい演色を有
する白色光を生成する素子を生じる。しかし、Ｅｕ：Ｓ
ｒＳに代えてＥｕ：ＳｒＳを使用すると、素子の効率を
減少させることが観測された。３元（ＣａxＳｒ1-X）
Ｓ：Ｅｕ2+の使用はＲａ及び効率の両方の中間の結果を
生じることが期待される。従って、Ｃａの高いモル分率
を有する蛍光体は高い演色が要求される場合に使用し、
Ｃａの低いモル分率を有する蛍光体は高効率が要求され
る場合に使用してもよい。
【００３８】約３，２００ケルビンの色温度を有するＣ
ｅ：ＹＡＧ／ＣａＳ：Ｅｕ素子（スペクトル６０２）及
びＣｅ：ＹＡＧ／ＳｒＳ：Ｅｕ素子（スペクトル６０
４）の出力スペクトルの例を図６に示す。ＣａＳ素子は
８５のＲａ及び２６７の発光効率を有する。ＳｒＳ素子
は７７のＲａ及び３９９の発光効率を有する。図６から
明らかなように、ＣａＳにおけるＥｕ2+の放射はＳｒＳ
におけるＥｕ2+と比較してレッドシフトし、Ｃｅ：ＹＡ
Ｇ及びＣａＳ：Ｅｕの組み合わせの蛍光体変換ＬＥＤの
等価輝度（luminous equivalent）、従って全効率はＳ
ｒＳを用いる同様の素子よりも遥かに低い。しかし、直
感に反して、ＣａＳ：Ｅｕ＋Ｃｅ：ＹＡＧ＋青色ＬＥＤ
のスペクトル６０２の演色（Ｒａ＝８５）はＳｒＳ：Ｅ
ｕ＋Ｃｅ：ＹＡＧ＋青色ＬＥＤのスペクトル６０４（Ｒ
ａ＝７７）よりも高い。
【００３９】ＳｒＳに対するＣａＳのさらなる利点は、
図７に示すような、その遥かに高い化学的安定性及び高
温高相対湿度でのストレス試験における優れた振る舞い
である。図７は、８５℃で８５％の相対湿度下で、時間
をかけて測定された３つの素子の相対量子効率を示す。
曲線７０２は蛍光材料４０としてＣａＳ：Ｅｕを用いる
素子であり、曲線７０４は蛍光材料４０としてＳｒＳ：
Ｅｕを用いる素子であり、曲線７０６は蛍光材料４０と
してＳｒ0.25Ｃａ0.75Ｓ：Ｅｕを用いる素子である。蛍
光材料４０においてストロンチウムを含んだ両方の素子
は相対量子効率の非常に急速な減少を示した。実際に、
蛍光材料４０が多量のカルシウムといくらかのストロン
チウムを含んだ素子７０６は、蛍光材料４０が完全にＳ
ｒＳである素子７０４よりも、相対量子効率においてよ
り急速に減少することを示した。対照的に、蛍光材料４
０がストロンチウムを含まない素子７０２では、相対的
な量子効率の減少は非常にゆっくりであり、ましてやは
っきりしていなかった。図７から明らかなように、蛍光
材料４０のストロンチウムの存在は、ストロンチウムの
存在しないＣａＳが蛍光材料４０として使用される素子
と比較して、湿気のある条件で相対的な量子効率の予想
外の急速な減少を生じる。
【００４０】蛍光材料２２としてＣｅ：ＹＡＧ及び蛍光
材料４０としてニトリド-シリケートを用いる２つの素
子の色温度及び演色評価数を下記表１に示す。表１に示
される素子において、蛍光体の合計重量の２２％はニト
リド-シリケート蛍光体であり、蛍光体の合計重量の７
８％はＣｅ：ＹＡＧである。蛍光材料２２としてＣｅ：
ＹＡＧ及び蛍光材料４０としてニトリド-シリケートを
用いる素子によって生成されるスペクトルを図８に示
す。
【００４１】
【表１】表１
【００４２】赤色不足補償蛍光体ＬＥＤの作製方法は図
５のフローダイヤグラムを参照して記載される。工程５
０で、第１ピーク波長を有する１次光を放射する光源を
準備する。好ましくは、光源は約４５５ｎｍのピーク波
長を有する１次光を放射するIII族-窒化物ダイである。
次に、工程５２で、樹脂のような透明材料の第１層が光
源上に堆積され、封入層を形成する。工程５２は本発明
において重要ではなく、本方法において省略されてもよ
い。工程５４で、蛍光体分散材料混合物が調製され、Ｌ
ＥＤの蛍光層を形成する。以下の記載は分散材料が樹脂
である実施態様であるが、分散材料は、例えば樹脂、ポ
リマー、及びガラスを含む任意の適した材料であっても
よい。分散材料が樹脂である実施態様において、蛍光体
-樹脂混合物は樹脂ペーストに混合される２つの蛍光材
料を含む。第１蛍光材料は１次光に対応して可視光スペ
クトルの黄色領域にピーク波長を有する２次光を放射す
る特性を有する。好ましくは、第１蛍光材料によって放
射される２次光は広帯域スペクトル分布を有する。第２
蛍光材料は可視光スペクトルの赤色領域にピーク波長を
有する２次光を放射する特性を有する。
【００４３】第１の方法において、蛍光体-分散剤混合
物はＣｅ：ＹＡＧ蛍光体の第１蛍光材料とＥｕ：Ｓｒ
Ｓ、Ｅｕ：ＣａＳ、（ＣａxＳｒ1-x）Ｓ：Ｅｕ2+、又は
（Ｓｒ 1-x-y-zＢａxＣａy）2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕz 2+蛍光体
の第２蛍光材料とを混合することによって調製される。
一の実施態様において、蛍光体-分散剤混合物は約７４
重量％の分散剤、約１８重量％のＣｅ：ＹＡＧ蛍光体及
び約８重量％のＥｕ：ＳｒＳ蛍光体を含んでもよい。他
の実施態様において、蛍光体-分散剤混合物は約３９〜
９３重量％の分散材料、約６〜２８重量％のＣｅ：ＹＡ
Ｇ、及び約３〜３３重量％のＥｕ：ＣａＳを含んでもよ
い。具体的なサンプルにおいて、蛍光体-分散剤混合物
は８２．８％の分散剤、１３％のＣｅ：ＹＡＧ蛍光体、
及び４．２％のＥｕ：ＣａＳ蛍光体を含む。第２蛍光材
料として（ＣａxＳｒ1-x）Ｓ：Ｅｕ 2+蛍光体が使用され
る場合、Ｃｅ：ＹＡＧの量は約１３％〜約１８％であっ
てもよく、（ＣａxＳｒ1-x）Ｓ：Ｅｕ2+の量は約４．２
％〜約８％であってもよい。他の実施態様において、蛍
光体-分散剤混合物は約３８〜９２重量％の分散材料、
約５〜２５重量％のＣｅ：ＹＡＧ、及び約３〜２４重量
％のニトリド-シリケートを含んでもよい。具体的なサ
ンプルにおいて、蛍光体-分散剤混合物は７％〜１７％
のＣｅ：ＹＡＧ及び６％〜１１％の（Ｓｒ1-x-y-zＢａx
Ｃａy）2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕz 2+を含む。
【００４４】蛍光体-樹脂混合物中の特定の蛍光体の量
は、ＬＥＤによって生成される白色出力光の所望の色混
合に依存して変えることができる。例えば、白色出力光
の赤色成分は、蛍光体-樹脂混合物中に、さらにＥｕ：
ＳｒＳ、Ｅｕ：ＣａＳ、（ＣａxＳｒ1-x）Ｓ：Ｅｕ2+、
又は（Ｓｒ1-x-y-zＢａxＣａy）2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕz 2+蛍
光体を加えることによって増加させることができる。Ｃ
ａＳ及び（Ｓｒ1-x-y- zＢａxＣａy）2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕz
2+がＳｒＳよりも高い安定性を有することが観測され
た。結果として、層３８は、ＳｒＳよりもむしろＣａＳ
又は（Ｓｒ1-x-y- zＢａxＣａy）2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕz 2+が
蛍光材料４０として使用される場合、硬化するのが容易
である。
【００４５】第２の方法において、蛍光体-樹脂混合物
はＣｅ：ＹＡＧ蛍光体に元素Ｐｒの３価イオンを最初に
ドープすることによって調製される。ドーピングプロセ
スに影響を受けないＣｅ：ＹＡＧ蛍光体の一部は蛍光体
-樹脂混合物中の第１蛍光材料を構成する。ドーピング
プロセスによって変質させられるＣｅ：ＹＡＧ蛍光体の
一部は第２蛍光材料を構成する。先の実施態様と同様
に、蛍光体-樹脂混合物中の特定の蛍光体の量は白色出
力光の所望の色混合に依存して変えることができる。
【００４６】次に、工程５６で、蛍光体-樹脂混合物は
封入層上に堆積されて、封入層を均一に覆う蛍光層を形
成する。次いで、堆積される蛍光体-樹脂混合物はゲル
化、すなわち部分的に硬化されてもよい。工程５８で、
透明樹脂の第２層は蛍光層上に堆積されて、ＬＥＤのレ
ンズを形成する。次いで、工程６０で、一回のプロセス
で、樹脂の第２層及び蛍光層は一括して、完全に硬化さ
れる。これらの層の一括硬化は蛍光層とレンズとの密接
な結合を保証する。
【００４７】他の実施態様において、蛍光層は電気泳動
体積により堆積される。蛍光体の電気泳動堆積は、２０
０１年６月１１日に出願された米国特許出願番号０９／
８７９，６２７、発明の名称“Using Electrophoresis
To Produce A Conformally Coated Phosphor-Converted
Light Emitting Semiconductor Structure”により詳
細に記載されている（本願に引用して援用する）。
【００４８】本発明の上述の実施態様は、単に具体的に
説明することを目的とし、本発明を限定するものではな
い。例えば、本発明はIII族-窒化物素子に限定されず、
その他の材料系から構成される素子に適用してもよい。
このように、その広範な局面において本発明から離れる
ことなしに、種々の変更及び修正が行われてもよいこと
は、当業者において明らかであろう。従って、特許請求
の範囲は、本発明の真の意図及び範囲内に含まれるその
ようなすべての変更及び修正を包含する。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な従来の蛍光発光ダイオード（ＬＥＤ）
の概略図である。
【図２】具体的な従来の蛍光ＬＥＤからの出力光のスペ
クトル分布を示すグラフである。
【図３】本発明の赤色不足補償蛍光ＬＥＤの概略図であ
る。
【図４】第１実施態様の図３の蛍光ＬＥＤからの出力光
のスペクトル分布を示すグラフである。
【図５】本発明の蛍光ＬＥＤを作製する方法のフローダ
イヤグラムである。
【図６】２つの実施態様の図３の蛍光ＬＥＤからの出力
光のスペクトル分布を示すグラフである。
【図７】本発明の３つの実施態様の量子効率を示すグラ
フである。
【図８】別の実施態様の図３の蛍光ＬＥＤからの出力光
のスペクトル分布を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲルド オー ミューラー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95132 サン ホセ スウェイガート ロ ード 3491 (72)発明者 トーマス ユーステル ドイツ連邦共和国 デー−52070 アーヒ ェム アウグスタシュトラーセ 78アー (72)発明者 ペーター シュミット ドイツ連邦共和国 デー−52064 アーヒ ェム リュドシュトラーセ 62 Ｆターム(参考） 5F041 AA11 CA40 DA12 DA44 DA47 DA55 EE25 FF11

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 加えられた電気的信号に対応して、第１
    スペクトル域において１次光を放射する光源と、該光源
    から放射される１次光の少なくとも一部を受光するため
    に該光源の上方に置かれる蛍光層とを具備する発光素子
    であって、該蛍光層が、１次光に対応して第２スペクト
    ル域において２次光を放射する特性を有する第１蛍光材
    料と、第３スペクトル域において３次光を放射する特性
    を有する第２蛍光材料とを含み、第２蛍光材料がニトリ
    ド-シリケートを含む、前記素子。
  2. 【請求項２】 さらに、光源から離れる方向に複合出力
    として１次光、２次光、及び３次光を伝播させるために
    前記蛍光層と光学的に結合した光伝播媒体を含む請求項
    １に記載の発光素子であって、該複合出力光が１次光、
    ２次光、及び３次光の強度によって少なくとも部分的に
    決定される色特性を有する、前記素子。
  3. 【請求項３】 複合出力光が７５よりも大きい演色評価
    数を有する請求項２に記載の発光素子。
  4. 【請求項４】 第２蛍光材料が１次光に応じて３次光を
    放射する、請求項１に記載の発光素子。
  5. 【請求項５】 第２蛍光材料が２次光に応じて３次光を
    放射する、請求項１に記載の発光素子。
  6. 【請求項６】 第２蛍光材料が（Ｓｒ1-x-y-zＢａxＣａ
    y）2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ z 2+（式中、０≦ｘ，ｙ≦０．５及
    び０≦ｚ≦０．１）を含む、請求項１に記載の発光素
    子。
  7. 【請求項７】 第１蛍光材料がイットリウム・アルミニ
    ウム・ガーネット（ＹＡＧ）を含む、請求項１に記載の
    発光素子。
  8. 【請求項８】 光源がＩＩＩ族−窒化物発光ダイオード
    を含む、請求項１に記載の発光素子。
  9. 【請求項９】 第１蛍光材料がセリウム活性化及びガド
    リニウム・ドープ・イットリウム・アルミニウム・ガー
    ネットであり、第１蛍光材料が蛍光層の５〜２５重量％
    を占める、請求項１に記載の発光素子。
  10. 【請求項１０】 第２蛍光材料がユウロピウム活性化ニ
    トロド・シリケートであり、第２蛍光材料が蛍光層の３
    〜２４重量％を占める、請求項１に記載の発光素子。
  11. 【請求項１１】 蛍光層が、さらに分散材料を含み、分
    散材料が蛍光層の９２〜３８重量％を占める、請求項１
    に記載の発光素子。
  12. 【請求項１２】 光源がダイであり、ダイが透明材料の
    層に封入されている、請求項１に記載の発光素子。
  13. 【請求項１３】 第２蛍光材料がユウロピウム活性化ニ
    トロド-シリケートを含む、請求項１に記載の発光素
    子。
  14. 【請求項１４】 加えられた電気的信号に対応して、第
    １スペクトル領域の１次光を放射する光源と、該光源か
    ら放射する１次光の少なくとも一部を受光するために該
    光源の上方に置かれる蛍光層とを具備する発光素子であ
    って、該蛍光層が、１次光に対応して第２スペクトル領
    域の２次光を放射する特性を有する第１蛍光材料と、第
    ３スペクトル領域の３次光を放射する特性を有する第２
    蛍光材料とを含み、第２蛍光材料がＣａＳを含む、前記
    発光素子。
  15. 【請求項１５】 さらに、光源から離れる方向に複合出
    力として１次光、２次光、及び３次光を伝播させるため
    に前記蛍光層と光学的に結合した光伝達媒体を含む請求
    項１４に記載の発光素子であって、該複合出力光が１次
    光、２次光、及び３次光の強度によって少なくとも部分
    的に決定される色特性を有する、前記発光素子。
  16. 【請求項１６】 複合出力光が８０よりも大きい演色評
    価数を有する、請求項１５に記載の発光素子。
  17. 【請求項１７】 第２蛍光材料がユウロピウム活性化Ｃ
    ａＳである、請求項１４に記載の発光素子。
  18. 【請求項１８】 蛍光層が、さらに分散材料を含み、分
    散材料が蛍光層の約９３〜約３９重量％を占める、請求
    項１４に記載の発光素子。
  19. 【請求項１９】 第１蛍光材料がセリウム活性化及びガ
    ドリニウム・ドープ・イットリウム・アルミニウム・ガ
    ーネットであり、第１蛍光材料が蛍光層の約６〜約２８
    重量％を占める、請求項１４に記載の発光素子。
  20. 【請求項２０】 第２蛍光材料がユウロピウム活性化Ｃ
    ａＳであり、第２蛍光材料が蛍光層の約３〜約３３重量
    ％を占める、請求項１４に記載の発光素子。
  21. 【請求項２１】 第２スペクトル領域が黄色である、請
    求項１４に記載の発光素子。
  22. 【請求項２２】 第３スペクトル領域が赤色である、請
    求項１４に記載の発光素子。
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